土地利用变化对东亚地区沙尘气溶胶循环影响的模拟研究

Over the past six decades, generally dust activity decreased in China, with most severe during 1960s and 1970s, weakening later, and becoming stronger again at the beginning of 21th century. The reason for the variation of dust activity in the past, and how it will evolve in the future are both scientific problems and social issues which are widely paid attention to. Although the weakening of surface wind may be the main reason for the declining trend of dust activity, currently the impact and the contribution from so many factors including wind velocity，land cover change and soil wetness have not yet been comprehensively studied and understood. Particularly, due to the extensive exploitation and cultivation of land by human, there were remarkable change in the land cover and soil structure, which would have much influence on the extent and erodibility of dust sources. Therefore, this project will develop a dust emission scheme which can take into account the impact of land use change on dust emission. We will further use the Chinese Academy of Sciences-Earth System Model (CAS-ESM) with the enhanced dust emission scheme coupled to simulate the global dust cycle in the past sixty years, and then identify the impact of land use change on the spatial-temporal evolution of dust activity and its contribution to the variation of dust activity. This study is hoped to help us understand the characteristics of dust activity and the reason for its evolution in the past sixty years, as well as the contribution of human activities to its variation.

过去60多年来，我国沙尘活动整体上呈减弱的趋势，其中在20世纪60~70年代为沙尘活动的最强时期，此后不断减弱，而21世纪初又有短暂的增强。过去沙尘活动变化的原因是什么，其未来将如何变化，这是广为关注的科学和社会问题。虽然地面风速减小可能是沙尘活动减弱的主要原因，然而对包括风速、地表覆被、土壤干湿条件等诸多因素在内的影响和贡献目前尚缺乏较为全面的认识。特别是过去几十年来，人类大规模的开发和利用土地，明显改变了地表覆被和土壤结构等特征，对地表的可风蚀性和风蚀能力产生了深远的影响。鉴于此，本项目将提出考虑土地利用变化影响的沙尘起沙参数化方案，并利用耦合了该方案的中科院地球系统模式（CAS-ESM）开展过去全球沙尘气溶胶循环的数值试验，分析土地利用变化对过去60年来东亚地区沙尘活动时空演变的影响和贡献。该研究将有助于深入理解和认识过去沙尘活动的时空变化规律及原因、以及其中人类活动的可能贡献。

近几十年来，随着人类改造地表覆被活动的加剧，以土地利用变化为主要形式的人类活动对沙尘天气的影响变得极为显著。本项目首先从潜在沙源范围、网格内可风蚀面积和临界摩擦速度等三方面，发展和完善可考虑土地利用变化影响的起沙参数化方案，然后利用耦合进该起沙方案的中国科学院地球系统模式（CAS-ESM）对过去60 年来的沙尘气溶胶循环进行模拟，重点分析土地利用变化对东亚地区沙尘活动变化的影响及贡献。在本项目的资助下，现已发表3篇SCI论文，其中1篇为第一资助，2篇为第二资助。主要研究成果包括以下四方面：.（1）在通用地球系统模式（CESM）中引入了植被覆盖变化对起沙临界摩擦速度影响的参数化，改进了东亚区域沙尘气溶胶时空演变的模拟。.（2）在CAS-ESM中引入了土地利用变化对起沙影响的参数化，实现了土地利用变化模型和起沙方案的耦合。与观测相比，模式能较合理地模拟出全球沙尘气溶胶的空间分布，抓住了主要的沙尘源地。.（3）基于第五次耦合模式比较计划（CMIP5）多模式历史试验的分析结果表明，当前大多数气候模式还不能模拟出1960年代以来东亚地区沙尘活动减弱的特征，或减弱趋势偏小，或呈现增加趋势。这种偏差的原因主要是由于模式不能较好地再现过去风速和土壤湿度等的变化特征。.（4）数值试验结果表明，土地利用变化对起沙的影响具有明显的空间差异和季节变化，其中2000年相比1960年土地利用变化可导致春、夏季单月东亚区域起沙量差别达20~40%。总体上看，土地利用变化可导致我国北方部分地区的年平均起沙通量减少10~100 g m-2 yr-1，是近几十年来东亚沙尘活动减少的原因之一。.该研究对于我们理解和认识过去沙尘活动的变化规律及原因，其中人类活动的可能贡献具有重要的科学意义。所发展的考虑土地利用变化与起沙方案耦合的模块已被放到CAS-ESM中，该模块在未来进一步研究地球系统中的沙尘-气候-生态相互作用、以及减轻甚至调控沙尘天气的影响方面都具有很好的应用前景。